JPH0263293B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の背景〕 本発明は、半導体素子の製作に関し、より詳細
には、被覆されるべき表面積の全体に一様な被覆
及びテーパ・ステツプカバレージをもたらすため
の半導体素子のガラス絶縁層のリフローに関する
ものである。

半導体素子の製作においては、材料の多重層が
半導体ウエハ（代表的には、シリコン）の表面に
適用される。その層には、拡散、イオン注入、及
び気相成長などの種々のプロセスを適用すること
ができる。層の各々は、１又はそれ以上の特別の
機能を有している。半導体素子がどんどん複雑に
なり小型化するにつれて、これらの素子を製作す
るに用いるプロセスは、より特殊化し、より重大
なものになつてきた。

フオスフオシリケートガラス
（phosphosilicateglass）（リンの所要量をドープ
した２酸化シリコン）が、半導体素子内の導電エ
レメント間の絶縁層として広範に使用されてき
た。フオスフオシリケートガラス（PSG）は、
そのアルカリイオン吸収能力のために表面安定層
として好都合である。構造の多重層性により基板
のトポグラフイが非常に複雑な大規模集積回路に
おいて、その表面トポグラフイを修正するのにも
PSG層が利用される。気相成長PSGは、素子の
表面積全体にかなり非一様であり、貧弱なステツ
プカバレージを呈する。それゆえ、PSG層は、
塑性流動を生じ一様厚及びテーパステツプカバレ
ージをもたらすように、軟化点まで加熱された。
層の絶縁特性を保持するために一様被覆が必要と
される。一方、下層素子層のステツプにおける絶
縁破壊を防止するために、テーパステツプカバレ
ージを必要とする。大規模集積回路の場合におい
て、PSG層のリフローが素子表面内の不規則性
を滑らかにする。

６％と10％との間の範囲のリンを含有する
PSG層が、通常用いられる。リン含有量が６％
以下においては、PSG層の融点は非常に高い。
リン含有量が10％以上のときは、PSG層は吸湿
性であり、素子の信頼性の問題が生じてくる。

PSG層のリフローをもたらすための様々なプ
ロセスが用いられてきた。PSGリフローを生じ
させるための在来の技術は、10〜60分間の範囲で
1000℃〜1100℃の温度での炉内処理であつた。窒
素雰囲気が通常用いられてきた。炉内のPSGリ
フローは、酸素又は蒸気雰囲気の使用によつて増
大された。炉内でのPSG処理時間及び／又は処
理温度は、炉内の周囲圧力を増大させることによ
つて減少できることが解つた。炉内処理から生じ
たPSGリフローは、大体満足のいくものであつ
た。しかしながら、そういう温度でかなり長い時
間の半導体ウエハを処理すると、ドーパント不純
物の横方向及び垂直方向への不所望の広がり又は
再拡散が生じてしまう。この拡散は、高密度
MOS素子の製作に用いられるような10¹⁵〜２×
10¹⁶（cm^-2）の程度の高いドーズ注入量に対して、
特に不都合である。さらに再拡散は、浅い接合及
び／又はVLSI素子の製作を不可能又は困難にし
ている。又、在来の炉内処理は、時間を消費し且
つエネルギ効率が良くない。

PSGリフローを達成するために、レーザも用
いられてきた。９〜11マイクロメートル範囲で動
作する２酸化炭素レーザから得られたビームが、
集束されて半導体ウエハの表面上で走査され、そ
れによりPSG層の局部的加熱及びリフローを生
じさせた。レーザ処理は、ほぼ満足なPSGリフ
ローをもたらし、そしてその急速加熱のために半
導体材料内の不純物再拡散の問題を大いに減少さ
せた。しかしながら、レーザビームはエネルギ効
率が悪く、そしてビームを集束・走査するために
機械的、電子光学的又は電子機構学的な手段を必
要とするので、熱処理系を複雑にする。加えて、
レーザによるPSG層の極めて急速な加熱は、ウ
エハのひび、はがれ、又はリフトオフ（lift off）
を引起す。

本出願人に譲渡された米国特許出願第262838号
は、一定平坦エネルギ束特性を有する黒体輻射体
を半導体材料に対向して位置したプロセツサを開
示している。黒体源は、半導体ウエハ内の結晶損
傷のアニーリングが可能であり、10秒程度の時間
内にシリコン中の不純物ドーパントを活性化す
る。

本発明の一目的は、半導体材料の表面に適用さ
れたガラス層の塑性流動を生じさせるための新規
で改良された方法を提供することである。

他の目的は、フオスフオシリケートガラス層の
塑性流動を生じさせ且つ半導体ウエハ内の不純物
ドーパント再拡散を減少させるように半導体ウエ
ハを熱処理するための方法を提供することであ
る。

他の目的は、半導体ウエハの表面に適用された
ガラス層の塑性流動を引き起こして該層が一様な
厚さ及びテーパステツプカバレージを有するよう
にするための簡単で高速の方法を提供することで
ある。

〔発明の概要〕

本発明に従えば、上記諸目的及び利点が達成さ
れる。すなわち、本発明に従う方法は、表面に絶
縁ガラス層が適用された物体を処理して、ガラス
層の塑性流動を生ぜしめるものである。本方法
は、この物体をプロセスチエンバ内へと導入する
段階、プロセスチエンバ内の圧力を減少させる段
階、及びチエンバ内の物体を一定平坦エネルギ束
特性を有する黒体源によつて加熱する段階の諸段
階から成つている。物体は、黒体源との実質的に
平行な平坦整列状態に位置され、黒体源によつて
十分な時間で及び十分な温度に加熱されてガラス
層の塑性流動が引起される。

〔好適実施例の説明〕

本発明に従つて、表面に絶縁ガラス層が適用さ
れた半導体ウエハなどの物体を処理するための方
法を説明する。この処理によつて、ガラス層の塑
性流動が生じ、その結果、良好な一様性及びテー
パ・ステツプカバレージを有するガラス層がもた
らされる。半導体プロセスで最も普通に用いられ
るガラスは、６〜10重量％の濃度のリンを有する
フオスフオシリケートガラス
（phosphosilicateglass、以下「PSG」と記す。）
である。半導体ウエハがプロセスチエンバに導入
される。チエンバ内部には、一定の平坦エネルギ
束特性を有する黒体源が位置されている。黒体源
は、遠赤外スペクトルの７〜10ミクロン領域にお
いて、きわだつた放出を見せず。半導体ウエハ
は、黒体源に対してほぼ平行な平坦整列関係に位
置される。次にプロセスチエンバが排気されて、
黒体源が付勢される。或いは、シヤツタープレー
トを除去してウエハを黒体源へと晒す。黒体源
は、PSG層を急速に加速して、塑性流動が生じ
るのに十分な温度へと昇温させる。それからウエ
ハを黒体源の近傍から取除き、冷却する。全プロ
セスは数秒又は数10秒の程度であり、それにより
不純物の再拡散が禁止される。黒体源の平坦性の
ために、PSG層は、ウエハの表面全体にわたつ
て一様に加熱される。

本発明の方法を実施するために適したプロセツ
サ装置を、第１図及び第２図に示す。プロセツサ
は、半導体ウエハを受け取り、熱的に処理し、放
出するよう仕組まれている。第１図はプロセツサ
装置１０を１部欠切斜視図で示す。プロセツサ装
置１０は、バリアン・アソシエイツ・インコーポ
レイテツド社のエクストリオン・デイビジヨンで
製造販売されているIA−200 アイソサーマル・
アニーラー（Isothermal Annealer）を表わした
ものである。電子制御パネル１３がハウジング１
１内部に含まれ、ドア１２を開いて操作可能であ
る。本装置はウエイフロー重力方式のエンドステ
ーシヨンを利用している。シリコンウエハの挿入
及び除去のためのこのウエイフロー方式は、
Wittkowerに対して1975年８月26日に発行され
た米国特許第3901183号に記載されている。ウエ
イフロー・エンドステーシヨンにおいては、ウエ
ハは、カセツトホルダ１８内に位置されたカセツ
トから入室ロツク１６（米国特許第3954191号参
照）を通つて真空チエンバ２４，２０へと挿入さ
れる。ウエハは重力によつてプラテン２０上へ滑
つて行き、そこで適切な受取位置に方向づけられ
る。ウエハの挿入後に、プラテン２１は軸線３４
について回転され、黒体源２２に対するアニーリ
ング位置へ移る。黒体源２２は、プラテンがウエ
ハを適所に運ぶまでシヤツタープレート２３によ
つてシヤツトされても良い。変形的には、ウエハ
が適当に設定されるまで、黒体源２２がアイドル
状態に点灯されていても良い。或いは他の遷移変
化が採られても良い。ウエハと黒体源２２との間
の距離は、４分の１インチ（約6.4mm）から実施
可能な程度の距離まで変化させることができる。
実際の距離は、一様性要求によつて、並びにシヤ
ツター、シールド及びプラテンにより占められる
空間によつて決定される。一様性のためには、黒
体源の活動面積は少なくともウエハぐらいが好適
である。何故ならば、黒体源からウエハへの視野
係数をできるだけ大きくして一様性をできるだけ
良くするためである。PSGリフローを達成する
ために黒体源の温度は代表的には1000℃と1500℃
との間であり、その処理時間は以下に述べるよう
に５〜60秒である。加熱は輻射加熱であり、ウエ
ハはその熱源の温度付近の平衡に達するまで温度
上昇する。或るケースではウエハが熱平衡に達し
ない場合もある。というのは、ウエハが熱平衡に
達する前にリフローが完遂されてしまうからであ
る。PSGリフローが完了すると、ウエハは退室
ロツク１７を通つてカセツトホルダ１９内のカセ
ツトへと取出される。

一様加熱を促進するために、対流でなく輻射に
よつて加熱することが望まれる。少なくとも黒体
源と半導体材料との間の圧力の制御が維持され
る。この領域の圧力は10^-7から周囲圧力への間で
変化され、そして気体の平均自由行程が源・ウエ
ハ間距離よりも大きくなるように圧力が選択され
る。それによつて、伝導加熱は実質上除去され
る。第２図に見られるように、機械的荒引ポンプ
３３が拡散ポンプ３２に直列に用いられて、管３
０及びバツフル３１を通じてチエンバ２４を排気
する。かくして作業チエンバ２４，２０内の圧力
が所望レベルに制御される。その規準は、前述の
ように、ガス分子の平均自由行程が黒体源３５と
ウエハ３７との距離よりもはるかに大きいという
ことである。従つて、熱源３５により輻射加熱が
優勢的になる。

ウエハ３７は、黒体輻射源３５により生じた一
定の平坦エネルギ束によつて加熱される。一定の
平坦エネルギ束の語は、平坦な前面を横切る一定
のエネルギ束が輻射源によつて生成されるという
意味である。輻射源の傾斜によつて電力を変化さ
せても良い。しかし、平坦前面を横切るエネルギ
束は一定に維持される。平坦な等温面は、ウエハ
３７を一様に加熱する。このことが起る理由の一
つは、黒体輻射が主として赤外領域であり、かつ
シリコンが赤外線を部分的に透過させるというこ
とである。かくして、輻射が数ミリ秒内に数百ミ
クロンの厚さのウエハを貫通して、それを一様に
加熱する。PSGリフローのためには、黒体輻射
は赤外スペクトルの７〜10ミクロン領域にあるこ
とが望まれる。

熱処理が完了すると、熱源は、第１図に示した
機械的シヤツター２３の手段によりシヤツトされ
るか、アイドル状態にされるか、或いは、閉鎖さ
れるか何れかの手段がとられる。ウエハがシリコ
ンの場合には、700℃又はそれ以下に冷却するの
が好適であり、そのためにアニーリングチエンバ
から取出されても良い。冷却は、プラテンを実際
に冷却すること、又は黒体シンクとしてのチエン
バ壁に対してウエハが輻射するようにプラテンを
回転させることによつて達成される。第３図に示
すように、プラテン２１は金属ブロツク４９から
成り、ブロツク４９は螺旋状冷却チユーブを固着
させている。冷却チユーブ４０は、チルドウオー
ター（１分間に１ガロン（3.8）で10〜15℃）
又はその他の冷却剤を含む。そして冷却チユーブ
４０は、供給管を通じて、アニーリングチエンバ
外部の給源に接続されている。一様アニーリング
を促進するために、反射性金属で作られた周回状
ストリツプ４２がプラテンの前方側に設けられ
る。このストリツプを加熱しても良く、その場合
にはウエハの縁部と中心部との間に一様温度状況
を保障する。平坦シールド４１，４１′が、熱源
３５と真空チエンバ壁との間に位置される。これ
らのシールドは、公式１／（ｎ＋１）（ここに、
ｎは連続するシールドの枚数である）に従つて熱
損失を減少させる。だたし、各シールド間は真空
分離されているものとする。

黒体輻射体３５の一実施例を、第４図に詳細に
示す。ウエハの面積全体にわたつて一様加熱を得
るために、黒体源はその表面全体に一様な熱地図
を呈する。この一様な熱地図は平坦な熱前面を生
成する。それにより、黒体源前方の平行平面上で
は同一の温度を経験する。かくしてウエハの加熱
は輻射性であり、その輻射は２次元等方性をもつ
てウエハを加熱する。等温面をもたらすために
は、平坦な輻射源が好適である（必ず必要という
わけではない。） 好適な黒体源は抵抗性材料であり、それはスト
リツプパターンを含む平坦形状に切断し或いはモ
ールドしてつくることができる。最も好適な黒体
源はグラフアイトであり、その一例はスタツクポ
ール（Stackpole2020）である。スタツクポール
は、シート形状で入手可能であり、第４図のよう
な蛇絞パターンに切断可能である。16分の１から
８分の１インチ（1.6mmから3.2mm）厚のグラフア
イトのシート５０が、ストリツプ５４から成る蛇
絞パターンを生ずるように形状づけられる。黒体
源５５の各隅は金属フレーム４１に取付けられ、
対抗する２つの隅は導電コンタクトスタツド５２
と５３の手段に取付けられる。好適実施例におい
ては、カーボン・シートがストリツプ切断前に穴
あけ拡開されて、周囲５１内部のシート厚を減少
させている。結果として、周囲５１内部の円形領
域の温度が最も高く、その領域がプラテン支持ウ
エハに対抗して位置される。代表的には、そうい
う平坦な蛇絞ストリツプ源は約５キロワツトの電
源を使用する。シールドの効率が良ければ、所要
電力は小さくなる。最も一様な加熱のためには、
黒体源の実効面積は少なくとも加熱されるウエハ
と同程度でなければならず、ウエハはできるだけ
黒体源に接近すべきである。

本発明の方法に従つたPSGリフローにおいて、
PSGの含有リンに応じて平坦黒体加熱体を５〜
60秒間、1000℃〜1500℃の温度に上昇させるのが
好適である。リンの含有量が増大するにつれて、
PSGの融点が減少することは、当業者に認識さ
れるであろう。ゆえに、リンの含有量の多い
PSG層に対しては、処理時間又は処理温度は小
さくできる。特定のPSG組成に対して、PSG層
のリフローを完遂するために種々の温度及び時間
の組合せを利用することができることを認識され
たい。さらに平坦黒体加熱体によりPSGの処理
の間、プロセスチエンバは10^-3〜10^-7Torrの真
空状態に維持するのが好適である。

前述の装置を利用したPSGリフローの一例に
おいて、８％のリンをドープしたPSGが1450℃
の加熱体温度で８秒間露出して、処理された。走
査型電子顕微鏡（SEM）の解析の結果、優秀な
リフローが得られたことが解つた。６％のリンを
ドープしたPSGが1450℃の加熱体温度で15秒間
露出して処理された結果、滑らかな外形及びテー
パ側壁が創成された。リンの含有量がより低い
PSGに対しては、より高温及び／又は長時間が
要求される。他方、より高いリン含有量に対して
はその逆になる。所望の結果に依存して、時間及
び温度の異なる組合せが優秀な結果をもたらす。
例えば、８％リン含有のPSGに対して、他の首
尾良い組合せは、1100℃で35秒間、1250℃で20秒
間、及び1350℃で10秒間である。これらの時間及
び温度の組合せは、得られるリフローの量を変化
させるためにわずかに調整することができる。そ
の他のリン含有量のPSGを処理するために、温
度と時間の組合せが決定される。本発明の方法に
従つたPSG層の処理においては、炉アニーリン
グ法に比較してドーパント再拡散が著しく減少し
たことが解つた。このことは、本発明の方法に要
求される時間間隔がより短いことに起因する。

第５Ａ図を参照すると、製造中の半導体素子の
一例が図示されている。この素子は、平坦層１１
０，１１２並びに在来のフオトリソグラフイ及び
エツチング方法により形成され得るステツプ１１
４を含む。代表的には気相成長（CVD）によつ
て、フオスフオシリケートガラス層１１６が素子
の表面に適用される。層１１６は、層１１４と引
続いて適用されるメタライゼーシヨンなどの導電
層との間の絶縁体として機能する。付着された際
には層１１６は代表的には厚さが一様ではない
（１２０で示すように）。そして、１２２で示すよ
うに、ステツプ１１４の良好なカバレージをもた
らさない。層１１６は、代表的には、１〜２ミク
ロンの厚さである。本発明の方法に従う層１１６
の加熱によつて、その材料は塑性流動が生じ得る
点まで軟化する。加熱は、液体状態への変化が起
こるほど大きくてもいけない。塑性流動は、非一
様厚の領域を滑らかにし、ステツプの被覆をテー
パ状にする。本発明の方法によつて、45度付近の
ステツプカバレージテーパが得られる。リフロー
後の層１１６を第５Ｂ図に示す。

本発明の方法がPSGリフローの達成に効果的
であるのは、黒体源からPSG内部への選択的赤
外輻射吸収によるものと信じられる。このこと
は、9.25ミクロン波長に強い吸収帯を有するSi−
Ｏ結合との放射結合及び約7.7ミクロンに強い吸
収帯を有するＰ−Ｏ結合との放射結合によつて起
こる。下層のドープされたシリコン基板もまた赤
外輻射を吸収し、これら２層は導電機構によつて
熱平衡に達する。このことは、薄いPSG層の保
全にとつて重要である。何故ならば、PSG層と
シリコン層とが同じ速度で昇温しないとすれば、
熱応力が生じて、PSG層のひびや割れ、はがれ
が生じるからである。そういう状況は、レーザな
どの単色光源（PSG内部のSi−Ｏ結合やＰ−Ｏ結
合の帯域とのみ結合する）を用いたときに生じ得
る。光学領域又はその付近にピークのある黒体源
などのように、７〜10ミクロンの赤外領域に十分
な強度を有しない黒体源が用いられるときにも、
同様な状況が起こり得る。このような場合には、
シリコン層が全ての輻射を吸収してしまい、
SiO₂層よりも急速に加熱される。

PSG層との放射結合の量は、層の厚さに依存
する。本明細書で述べた黒体輻射源（1400℃で
2.0ミクロンにピークを有する）と適切に結合す
る１〜２ミクロンのPSG層が使用される。薄い
PSG層は、バルクドープトシリコン（bulk
doped silicon）に比して十分な速度で加熱する
ほどの輻射を吸収せず、それによりPSG層の損
害を生じさせる。本発明の方法に従えば、PSG
層（又は他のガラス層）の吸収率は、フイルタ
ー、多重源又はその他の輻射源設計により輻射源
の黒体スペクトル分布を調節することによつて、
シリコン（又は他の基板）の吸収率に対して調節
される。

これまでPSGに関して本発明を説明してきた
けれども、本発明の方法はボロシリケート（ホウ
ケイ酸ガラス）及びアルセノシリケート（ヒ素ケ
イ酸ガラス）などの他の型のガラスにも適用し得
ることを認識されたい。必要なことは、平坦な黒
体源が、塑性流動が生じる点までガラス層を急速
に加熱する能力を有するということである。

このように本発明によつて、半導体素子の表面
に適用されたガラス層の塑性流動を引起こすため
の方法がもたらされる。本方法はガラスのリフロ
ーを非常に急速に達成するので、不純物の再拡散
を無視し得るレベルにまで減少させる。加えて、
本方法は単純でかつエネルギ効率が良い。

これまで発明の好適実施例について本発明を説
明してきたけれども、本発明の範囲を外れること
なく種々の変化及び修正がなされ得ることは当業
者にとつて明白であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法を実施するために利用
されるプロセツサ装置の一部切欠斜視図である。
第２図は、第１図の装置の側面図である。第３図
は、第１図及び第２図のプロセツサ装置内の半導
体ウエハを保持するためのプラテンの端面図であ
る。第４図は、第１図及び第２図のプロセツサ装
置に組入れられるための、一定平坦エネルギ束を
生じさせるための黒体輻射体の正面図である。第
５Ａおよび５Ｂ図は、代表的な半導体ウエハの断
面図であり、それぞれ、本発明の処理の前後のフ
オスフオシリケートガラス層を表わしている。 主要符号の説明、１０…プロセツサ装置、１１
…ハウジング、１２…ドア、１３…電子制御パネ
ル、１６…入室ロツク、１７…退室ロツク、１８
…カセツトホルダ、１９…カセツホルダ、２０…
真空チエンバ、２１…プラテン、２２…黒体源、
２３…シヤツタープレート、２４…真空チエン
バ、３０…管、３１…バツフル、３２…拡散ポン
プ、３３…荒引ポンプ、３４…軸線、３５…黒体
源、３７…ウエハ、４０…冷却チユーブ、４１，
４１′…平坦シールド、４２…ストリツプ、４９
…金属ブロツク、５０…シート、５２，５３…ス
タツド、５４…ストリツプ、５５…黒体源、１１
０，１１２…平坦層、１１４…ステツプ、１１６
…ガラス層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体ウエハの表面に適用されたガラス層の
   塑性流動をもたらす方法であつて： 前記ガラス層を有する前記ウエハを処理チエン
   バ内に導入する段階； 前記処理チエンバ内の圧力を10^-3Torr乃至
   10^-7Torrの範囲に減少させる段階；並びに 前記チエンバ内で前記ガラス層を有する前記ウ
   エハを一定の平坦なエネルギ束特性を有する黒体
   源にさらす段階であつて、該黒体源は前記ガラス
   層の吸収バンド内の十分な輻射を有しかつ５乃至
   60秒間1000℃乃至1500℃の範囲の温度にあり、前
   記ウエハは前記黒体源とほぼ平行な整列状態に位
   置されてさらされる、ところの段階； から成る方法。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載された方法であ
   つて： 前記ガラス層がフオスフオシリケートガラス層
   であり、前記黒体源が７乃至10ミクロンのスペク
   トル範囲内の十分な輻射を与える； ところの方法。 ３ 特許請求の範囲第３項に記載された方法であ
   り、さらに前記ウエハをさらす段階の後に、 前記フオスフオシリケートガラス層を有する前
   記ウエハを前記処理チエンバ内で輻射性冷却によ
   り冷却する段階； を含む方法。 ４ 特許請求の範囲第３項に記載された方法であ
   つて： 前記黒体源は1100℃乃至1450℃の範囲の温度を
   有し、前記ガラス層を有する前記ウエハが８乃至
   35秒間前記黒体源にされされる； ところの方法。 ５ 特許請求の範囲第１項に記載された方法であ
   り、さらに： 前記ガラス層と前記半導体ウエハとの加熱速度
   を実質的に平衡させるように前記黒体源のスペク
   トル分布を調整し、それによつて熱応力を回避す
   るところの段階； を含む方法。